Spektroskops ir zinātnisks instruments, kas sadala gaismu dažādos viļņu garumos, kurus cilvēki redz kā dažādas krāsas. Violetai ir īsākais viļņa garums, ko cilvēki var redzēt, un sarkanajai krāsai ir visilgākais. Šis instruments var arī identificēt viļņu garumus, ko cilvēki neredz, piemēram, infrasarkano un ultravioleto starojumu. Gaisma parasti satur dažādu viļņu garumu maisījumu; pētot tos, zinātnieki var uzzināt noderīgu informāciju, piemēram, ķīmiskos elementus, kas atrodas gaismas avotā. Spektroskopi tiek plaši izmantoti astronomijā, ķīmijā un citās jomās.
Spektroskopu veidi un to darbības principi
Vācu optiķis Džozefs fon Fraunhofers izgudroja spektroskopu 1814. gadā. Tā agrīnajā formā tas izmantoja objektīvu, lai fokusētu ienākošo gaismu, un prizmu, lai sadalītu gaismu ar refrakcijas palīdzību. Tomēr vēlāk Fraunhofers aizstāja prizmu ar ierīci, kas sastāv no vairākiem šauriem, paralēliem spraugām, kas pazīstamas kā difrakcijas režģis. Tas izkliedēja dažādus gaismas viļņu garumus dažādos daudzumos, un tā priekšrocība bija iespēja novērotājam faktiski izmērīt viļņu garumus, kas nebija iespējams, izmantojot prizmu. Fraunhofers izmantoja savus spektroskopus, lai pētītu gaismu no dažādiem avotiem, tostarp liesmām, karstiem materiāliem un Saules, planētām un zvaigznēm.
Mūsdienu spektroskopi ir pieejami vairāku veidu atkarībā no to mērķa. Vienkārša rokas ierīce izmanto nelielu difrakcijas režģi vai prizmu, un tā ir viegli pārnēsājama. Tas ir paredzēts izmantošanai uz lauka, un to var izmantot, piemēram, dārgakmeņu un minerālu identificēšanai. Astronomijā spektroskopu parasti izmanto kopā ar teleskopu, lai analizētu tālu, vāju objektu gaismu; šie instrumenti mēdz būt smagi un apjomīgi.
Ir arī citi instrumenti, kas veic tādu pašu darbu kā spektroskops un darbojas pēc tāda paša principa. Tie galvenokārt atšķiras ar spektra ierakstīšanas veidu. Mūsdienu spektrometrs rada spektra digitālo attēlu, savukārt spektrofotometrs to ieraksta elektroniski, un spektrogrāfs ir vispārīgāks nosaukums instrumentam, kas veido un reģistrē spektru. Šie termini dažkārt tiek lietoti kā sinonīmi, un “spektroskops” var aprakstīt jebkuru no tiem.
Dažas ierīces var radīt elektromagnētiskā starojuma spektrus, kuru viļņu garums pārsniedz redzamās gaismas robežas. Tā kā šo starojumu nevar tieši novērot, spektri jāreģistrē ar īpašiem detektoriem. Tos izmanto, lai pētītu infrasarkano un ultravioleto starojumu.
Infrasarkanais spektroskops var izmantot regulējamu monohromatoru, lai pēc kārtas izolētu katru interesējošā viļņa garumu vai, biežāk, interferometru. Tas sadala ienākošo starojumu divos staros. Kustīgs spogulis maina viena stara garumu tā, ka, tos savienojot, tie rada traucējumu modeli. Modeļa analīze atklāj dažādus klātesošos viļņu garumus. Interferometra metodes priekšrocība ir visu viļņu garumu noteikšana vienā piegājienā.
Spektra veidi
Vielas, kas izstaro gaismu, rada emisijas spektru. Karstas, mirdzošas cietas vielas, piemēram, balti karsts metāls, izstaro gaismu visos viļņu garumos un rada nepārtrauktu spektru, kurā krāsas saplūst viena ar otru. No otras puses, ļoti karstas gāzes rada līniju spektru, kas sastāv no krāsainām līnijām uz tumša fona. Tas ir tāpēc, ka tie izstaro gaismu tikai noteiktos viļņu garumos atkarībā no klātesošajiem ķīmiskajiem elementiem.
Katram elementam ir savs unikāls līniju raksts. Piemēram, nātrijs rada spēcīgas līnijas spektra dzeltenajā daļā. To var redzēt, uzkaisot liesmu sāli (nātrija hlorīdu), piešķirot tai raksturīgu dzeltenu krāsu.
Absorbcijas spektrs veidojas, kad gaisma noteiktos viļņu garumos tiek absorbēta gāzē vai šķidrumā, caur kuru tā iet. Katrs ķīmiskais elements absorbē tikai noteiktus specifiskus viļņu garumus — tos pašus, ko tas izstaro kā karstu gāzi — un tāpēc elementu identificēšanai var izmantot arī absorbcijas spektrus. Absorbcijas spektrs sastāv no tumšām līnijām uz nepārtraukta spektra spilgta fona.
Saule rada nepārtrauktu spektru ar vairākām tumšām absorbcijas līnijām. Kodolsintēzes process Saules kodolā izdala gaismu daudzos viļņu garumos, taču dažus no tiem absorbē dažādi elementi, gaismai virzoties uz virsmu, veidojot tumšās līnijas. Zinātniekiem šādā veidā izdevās noteikt Saules ķīmisko sastāvu. Elements hēlijs, kas nekad nebija redzēts uz Zemes, vispirms tika identificēts pēc tā absorbcijas līnijām Saules spektrā.
Spektroskopija astronomijā
Astronomi izmanto spektroskopus, lai noskaidrotu, kādi elementi atrodas zvaigznēs, planētu atmosfērā un starpzvaigžņu telpā. Ir konstatēts, ka zvaigznes atšķiras pēc sastāva, un tās var klasificēt pēc to spektra. Spektroskopi ir ļāvuši pētniekiem noskaidrot, kādi elementi atrodas citu Saules sistēmas planētu atmosfērā. Astronomi var analizēt to eksoplanetu atmosfēru, kas riņķo ap citām zvaigznēm; ja tiktu atklāts skābeklis, tas būtu spēcīga dzīvības pazīme.
Pārbaudot gaismu no citām galaktikām, atklājās, ka vairumā gadījumu elementu spektrālās līnijas tiek novirzītas garākā viļņa garuma virzienā, spektra sarkanā gala virzienā. Šo parādību sauc par sarkano nobīdi. Vistālākajās galaktikās ir vislielākās sarkanās nobīdes, un lielākā daļa astronomu uzskata, ka tas ir tāpēc, ka Visums paplašinās. Palielinoties atstarpei starp diviem objektiem, gaisma, kas pārvietojas starp tiem, tiek izstiepta, tādējādi radot garākus viļņu garumus.
Ļoti tālu objektu spektri, kas atrodas miljardu gaismas gadu attālumā, tiek novirzīti ārpus redzamās gaismas diapazona un tiek novirzīti infrasarkanajā zonā. Šī iemesla dēļ to analīzei jāizmanto infrasarkanā spektroskopija. Molekulas rada infrasarkano starojumu raksturīgajos viļņu garumos, kad tās vibrē vai rotē. Tāpēc šo metodi var izmantot, lai identificētu molekulas, kas atrodas starpzvaigžņu telpā peldošajos gāzes mākoņos. Tādā veidā astronomi gāzes mākoņos ir atklājuši ūdeni, metānu un amonjaku.
Spektroskopija ķīmijā
Ķīmijā spektroskopi var identificēt elementus, kas atrodas materiāla paraugā. Spēcīgi karsējot paraugu, piemēram, liesmā, tas pārvēršas karstā, kvēlojošā gāzē, kas rada emisijas līnijas spektru. Pēc tam ķīmiķi to var pārbaudīt, lai identificētu elementus. Šīs metodes rezultātā tika atklāti daudzi periodiskās tabulas elementi. Alternatīvi, spektroskopija var uztvert šķidruma absorbcijas spektru, kad caur to spīd gaisma.
Ķīmiķi var izmantot spektroskopiju, lai identificētu ķīmiskos savienojumus, kā arī elementus. Infrasarkanā spektroskopija šajā ziņā ir īpaši noderīga, un to bieži izmanto organiskajā ķīmijā, bioķīmijā un tiesu ķīmijā.